研究2 豐富的經歷是否等于更大的大腦

Rosenzweig, M.R., Bennett, E.L., & Diamond, M.C.(1972).Brain changes in response to experience.Scientific American, 226 (2), 22-29.

? ? ? 如今，如果你進入一個典型美國中產階級家庭的嬰兒房間，你可能會看到一張嬰兒床，在嬰兒伸手可及的上方懸掛著許多小動物玩具和各種各樣的彩色玩具。其中一些玩具會發光、會活動、會演奏音樂，或者兼有上述三種功能。設想一下，人們為什么給嬰兒準備這么多可看可玩的東西呢？除了嬰兒喜歡這些東西并作出積極反應外，絕大部分父母都相信，無論這個觀點得到公認與否，孩子們需要一個令他們興奮的環境，以促進智力和大腦最大程度的發展。

? ? ? 關于某種特定的經歷是否會引起大腦形態變化的問題，幾個世紀以來一直是哲學家和科學家在猜測和研究的話題。1785年，意大利解剖學家瑪拉卡尼（Malacarne）研究了同一胎產下的幾對小狗和同一窩蛋孵出的幾只小鳥。他有目的地長期訓練每一對中的一只，而另外一只會得到同樣良好的照料，但并不接受訓練。然后，通過對動物的尸體進行解剖，他發現受過訓練的動物的大腦表現得更為復雜，帶有更多的褶皺和溝回。然而，這一研究不知因為什么原因沒能繼續下去。在19世紀后期，人們試圖把一個人的學習量和他腦袋的周長聯系起來。雖然一些早期的研究成果支持這種相關，但后來的研究成果認為這并不是一種測量大腦發展的有效尺度。

? ? ? 直到20世紀60年代，新技術的發展使科學家們具備更精確地檢測大腦變化的能力，他們運用高倍顯微技術，并對大腦內各種酶和神經遞質水平進行評估。在加利福尼亞大學伯克利分校，馬克·羅茲維格（Mark Rosenzweig）及其同事愛德華·本奈特（Edward Bennett）以及瑪麗安·戴蒙德（Marian Diamond）采用這些技術，歷時10余年，進行了由16次實驗組成的系列研究，力圖揭示經驗對大腦的影響。本章的這篇文章將介紹他們的研究發現。由于顯而易見的原因，在他們的研究中并沒有用人作被試，而是像很多經典心理學實驗一樣，用老鼠作被試。

理論假設

? ? ? 由于心理學家最終的興趣在于人而不是老鼠，因而就必須指出這種不用人作被試的研究的合理性。在這些研究中，為什么選擇老鼠作被試就成了研究理論基礎的一部分。作者解釋說，由于多種原因，使用嚙齒類動物比使用高級的哺乳類動物（如食肉類或靈長類動物）更方便。這項研究的重點是腦部，老鼠的腦部是平滑的，并不像更高等的動物那樣曲折而復雜。因此，對其大腦的檢測和測量就更容易。此外，老鼠體型較小并且也不昂貴，在實驗室的研究中，這是一個很重要的考慮因素（通常實驗室經費并不充足而且缺乏空間）。老鼠一胎多子，這就允許研究者將同一窩中的老鼠分配到不同的實驗條件下。作者最后指出，研究者培養了多種種系的老鼠，以便在需要的時候把遺傳因素考慮在內。

? ? ? 在羅茲維格的研究中，隱含著一種想法，即把飼養在單調或貧乏環境中的動物與飼養在豐富環境中的動物進行對比，二者在大腦發育和化學物質等方面將表現出明顯的不同。在這篇實驗報告所涉及的每次實驗中，均采用了12組老鼠，每一組均由取自同一胎的三只雄鼠組成。

方法

? ? ? 三只雄鼠都是從一胎所生的老鼠中選擇的，它們被隨機分配到三種不同的實驗條件中。一只老鼠仍舊與其他同伴待在實驗室籠子里，另一只被分派到羅茲維格稱為“豐富環境”的籠子里，第三只被分派到“貧乏環境”的籠子里。記住，在16次實驗中，每次都有12只老鼠被安排在每一種實驗條件中。

三種不同環境（如圖1—4）描述如下。

1.標準的實驗室籠子中，有幾只老鼠生活在足夠大的空間里，籠子里總有適量的水和食物。

2.貧乏的環境是一個略微小一些的籠子，老鼠被放置在單獨隔離的空間里，籠子里總有適量的水和食物。

3.豐富的環境幾乎是一個老鼠的迪士尼樂園（并沒有冒犯米老鼠的意思），6~8只老鼠生活在一個“帶有各種可供玩耍的物品的大籠子里。每天從25種玩具中選取一種新的組合放在籠子里”（第22頁）。

? ? ? 實驗人員讓老鼠在這些不同環境里生活4周到10周不等。經過這樣不同階段的實驗處理之后，實驗人員將人道地剝奪這些實驗老鼠的生命，對它們進行解剖以確定腦部發育是否不同。為了避免實驗者偏見的影響，解剖按照編號的隨機順序進行，這就可以避免尸檢人員知道老鼠是在哪種環境下成長的。研究者關注的是生活在豐富環境下與生活在貧乏環境下的老鼠的大腦所出現的不同。

? ? ? 解剖老鼠的大腦后，對各個部分進行測量、稱重和分析，以確定細胞生長量與神經遞質活動的水平。在對后者的測量中，有一種叫作“乙酰膽堿”的腦酶引起了研究者們特別的興趣。這種化學物質十分重要，因為它能使腦細胞中神經沖動傳遞得更快、更高效。

? ? ? 羅茲維格和他的同事是否發現了老鼠的大腦因其生活環境的豐富或貧乏而有所不同呢？以下就是他們的研究結果。

結果

? ? ? 結果證實，生活在豐富環境中的老鼠，其大腦在很多方面都有別于貧乏環境中的老鼠。在豐富環境中生活的老鼠的大腦皮層（即大腦對經驗作出反應的部分，它負責行動、記憶、學習和所有感覺的輸入，如視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺）更重且更厚，并且這種差別很顯著。前面提到神經系統中存在的“乙酰膽堿”酶，在身處豐富環境的老鼠的大腦組織中更具活性。

? ? ? 兩組老鼠的腦細胞（又稱為神經元）在數量上并沒有顯著差別，但豐富的環境使老鼠的大腦神經元變得更大。與此相關，研究還發現，豐富環境中的老鼠的RNA和DNA（兩種對神經元生長起最重要作用的化學成分）的比率也相對更高。這意味著在豐富環境里長大的老鼠其大腦中有更高水平的化學活動。

? ? ? 羅茲維格和他的同事解釋說：“雖然由環境引起的大腦變化并不很大，但我們確信這種變化是千真萬確的。在重復實驗的時候，上述結果仍能出現……我們發現，經驗對大腦最一致的影響表現在大腦皮層與大腦的其余部分（即皮層下部）的重量之比上。具體表現為，經驗使大腦皮層迅速地增重，但大腦其他部分變化很小”（P.25）。這種對大腦皮層與大腦其余部分比率的測量是對大腦變化最精確的測量。這是因為每只動物的腦重量會隨動物體重的變化而變化，運用這個比率，可以消除個體差異。圖1—5用圖表說明了16次實驗的結果。正如你看到的，只有一次實驗結果的差異在統計上不顯著。

? ? ? 最后，是有關兩組老鼠大腦的神經突觸的發現。神經突觸是指兩個神經元相匯之處。大部分大腦活動發生在神經突觸上，在這里，神經沖動有可能通過一個又一個神經元繼續傳遞下去，也有可能被抑制或終止。在高倍電子顯微鏡下，能發現在豐富環境中長大的老鼠其大腦中的神經突觸比在貧乏環境下長大的老鼠的神經突觸大50%。

注：實驗2至16有統計學上的顯著差異。

資料來源：引自Rosenzweig, Bennett, & Diamond, P.26。

討論及批評

? ? ? 經過近10年的研究，羅茲維格、貝奈特和戴蒙德滿懷信心地指出：“毫無疑問，大腦構造及其化學成分的很多方面可以被經驗改變。”（P.27）。然而，他們也坦承，當他們第一次公布研究結果時，許多科學家對此表示懷疑，因為像這樣的結果在過去的研究中從未被清楚地證實過。有些批評意見認為，也許并不是豐富的生活環境使大腦產生了變化，而是由于老鼠接受了不同的實驗處理，如純粹的觸摸或壓力情境。

? ? ? 這種批評是有根據的，在豐富環境的實驗條件下，老鼠每天被觸摸兩次，即在換玩具時得將它們移開。而在貧乏環境的實驗條件下，老鼠沒有被觸摸。因此，可能是觸摸導致了這一結果，而不是豐富環境的實驗條件所致。為了消除這一潛在的混淆因素，研究者每天撫摸一組老鼠，而不撫摸與它們同胎的另一組老鼠（這些老鼠都處在同一環境中）。羅茲維格和他的同事并沒有發現這兩組老鼠的大腦有什么不同。此外，在他們后來的研究中發現，同樣撫摸在豐富環境與貧乏環境條件下的老鼠，得到的結果也是一樣的。

? ? ? 至于壓力情境，批評者認為，在貧乏環境中生活的老鼠因被隔離而產生壓力，這是導致它們大腦欠發達的原因。羅茲維格等人引證了另一項研究，此項研究讓老鼠暴露于日常的壓力情境之中（旋轉籠子或給予輕微電擊），并沒有發現僅因壓力而使大腦改變的證據。

? ? ? 在實驗室中進行的任何研究都存在人為性問題。羅茲維格和他的同事很想知道在自然的生長環境中，各種水平的刺激是如何影響動物的大腦發育的。他們指出，實驗室中的老鼠常在人工環境中繁殖，且已經繁衍了100代，它們和野生鼠幾乎是沒有相似的遺傳基因。為了探索這種有趣的可能性，他們開始研究野生老鼠。他們把抓到的這種野生鼠隨機地放在戶外自然環境中或是實驗室的豐富環境籠子里。4周后，發現戶外老鼠的大腦比實驗室老鼠的大腦發展得更好。“這就表明，實驗室中的豐富環境與自然環境相比，仍是相當貧乏的”（第27頁）。

? ? ? 最后，涉及動物被試最主要的批評意見是它與人的關系問題。毫無疑問，這類研究永遠不能用人來做被試，但是研究者仍有責任探討此問題，并且這些科學家也這樣做了。

? ? ? 作者解釋說，很難把在一組老鼠身上的研究結果泛化到另一組老鼠身上，而要把用老鼠做研究的結果泛化到猴子或人的身上則更難。雖然他們宣布在幾類嚙齒類動物身上取得了相似的結果，但他們也承認，在得出經驗對人腦產生影響的假設前，仍需要更多研究。然而，他們提出以動物為被試的這類研究的價值在于“允許我們對概念和技術進行檢驗，其中一部分可能對今后以人為被試的研究有所幫助”（第27頁）。

? ? ? 作者在這篇文章中還提到這項研究的幾個潛在好處。它可以用在對記憶的研究中。由于經驗而使大腦產生的改變，可以使人更好地理解記憶是怎樣被保存在大腦中的，從而導致一些新技術的產生以提高記憶并阻止因年齡增長而導致記憶的衰退。另一方面，這些研究也有助于解釋營養不良與智力發展之間的關系。作者的觀點是，營養不良可以使一個人對環境刺激的反應遲鈍，長期持續的營養不良可能限制大腦的發育。作者強調，一些同時進行的研究證明，營養不良對大腦發育的影響也會因環境的豐富而減輕，或因環境的惡劣而加重。

相關研究和近期應用

? ? ? 這項由羅茲維格、本奈特和戴蒙德所做的工作，對這一領域研究的持續發展起到了催化劑般的作用。自他們論文發表的25年以來，這幾位科學家和其他科學家一道繼續致力于鞏固、改進、擴充他們的研究成果。

? ? ? 例如，他們發現豐富環境的生活經歷有助于提高學習本身，即使是在貧乏環境中長大的成年動物，當它被放在一個豐富環境中的時候，其大腦發育也能獲得提高（見本奈特，1976，一個完整的回顧）。

? ? ? 現有的一些證據表明，經驗確實改變了人類大腦的發育。通過對自然死亡者的尸體解剖，研究者發現當一個人具有更多的技術和能力時，他的大腦確實變得更復雜也更重。在對那些沒有某種特定經歷的人的大腦進行解剖時，他們發現了另外一些結果。例如，與視覺正常的人相比，盲人大腦的視覺皮層部分明顯發育不良，溝回較少，皮層較薄。

? ? ? 瑪麗安·戴蒙德（Marian Diamond）是原稿的作者之一，她在人類智力的畢生發展進程方面運用了這一研究成果。她說：“在生活中，我想我們應該對大腦老化持一個更樂觀的態度……主要因素是刺激，神經細胞因刺激而存在，所以我認為好奇心是一個關鍵因素。如果一個人在一生中始終充滿好奇心，那這將刺激他的神經組織和大腦皮層……我尋訪在88歲以后還極有活力的人。我發現那些經常用腦的人，大腦不易老化。事情就是這樣簡單。”（Hopson，1984，P.70）

? ? ? 兩項新近研究從不同的實際應用角度闡述了羅茲維格、戴蒙德和本奈特關于環境影響大腦發育的觀點。懷斯和貝林格（Weiss & Bellinger，2006）將研究擴展到探討有害環境對人類大腦早期發展的影響，他們認為有害環境不僅應包括各種有害的化學物質，還應考慮個體生活情境中的所有因素，如遺傳傾向和生活環境的豐富或貧乏。研究者提出，對人類而言，接觸有害物質造成的影響與個體成長環境的豐富或貧乏直接相關。換言之，在貧困中長大的兒童，不僅其發展環境相對貧乏，而且其暴露于有害物質中的風險更高。環境因素甚至會作用于有害物質，從而對大腦發展造成影響。懷斯和貝林格稱，對環境中的有害物質的研究已呈現出一種趨勢，即集中于研究有害物質本身，而淡化相關的情境變量。作者寫道：

? ? ? 我們認為，生命早期暴露于具有神經毒性化學物質中所造成的后果，取決于兒童的社會環境，包括其出生前的主導環境……我們認為，要對有害物質在神經行為層面的潛在后果作真正評估，離不開個體活動、導致其獨特性和持續造成個體缺陷的生態環境（如環境豐富）（P.1497）。

? ? ? 另一篇文章也引用了羅茲維格在1972年的研究，對近來一些試圖用過分簡單化的豐富環境策略來促進兒童大腦發育的做法提出了批評（Jones & Zigler，2002）。正如你料想的那樣，當公眾了解到羅茲維格等人的研究后，就有可能掀起一些看似極有吸引力的熱潮，但它們卻極少建立在科學事實之上。20世紀90年代出現的“莫扎特效應”（Mozart Effect）就屬其中一例。這一股狂熱開始于一些初步研究所發現的結果：兒童聽莫扎特（而不是其他古典作曲家）的音樂，學習將變得更好。這一思想在互聯網上發展到了極致，“莫扎特效應”可使兒童和成人從中獲益，并宣稱特定的音樂能夠促進全身健康、提高記憶力、治療注意缺陷、減少抑郁和加速身體創傷的愈合。

結論

? ? ? 瓊斯和奇格勒（Jones & Ziger，2002）認為這些流行的應用對研究的推廣不僅無效而且危險。他們指出：“將腦研究的結果作為一種‘權宜之計’，用來解決復雜系統的問題，這是不恰當的。”（P.355）他們進一步提出，當科學的腦與學習的研究得到謹慎的、正確的應用時，它才能夠“對早期認知和社會性發展起到深入的、高質量的、多領域的干預作用”（P.355）。

Bennett, E.L.(1976).Cerebral effects of differential experience and training.In M.R .Rosenzweig & E.L.Bennett (Eds.), Neural mechanisms of learning and memory.Cambridge, MA: MIT Press.

Hopson, J.(1984).A love affair with the brain: A PT conversation with Marian Diamond.Psychology Today，11, 62-75.

Jones, S.& Zigler, E.(2002).The Mozart Effect: Not learning from history.Journal of Applied Developmental Psychology, 23, 355-373.

Weiss, B., & Bellinger, D.C.(2006).Social ecology of children’s vulnerability to environmental pollutants (Commentary).Environmental Health Perspectives，114，1479-1485